響應面法超聲輔助提取黃姜花揮發油及其化學成分分析

李 翔，鐘方友，孟凡冰，徐 宏，鄧 杰，任菁菁

(成都大學 食品加工與應用四川省高校重點實驗室，四川 成都 610106)

響應面法超聲輔助提取黃姜花揮發油及其化學成分分析

李 翔，鐘方友，孟凡冰，徐 宏，鄧 杰，任菁菁

(成都大學 食品加工與應用四川省高校重點實驗室，四川 成都 610106)

研究黃姜花揮發油成分提取工藝和分離、分析方法，為其在食品藥品行業的進一步開發利用提供科學依據.采用響應面法優化黃姜花揮發油水蒸氣蒸餾法的提取工藝及氣—質聯用技術研究其化學成分.優化提取工藝參數為，浸提時間6 h，超聲60 min，料液比1∶9.67，預測揮發油得率為6.02(mg/g)，平行實驗3次，平均揮發油得率為5.91(mg/g)，RSD為1.83%.氣—質聯用技術對黃姜花揮發油進行分離得到28個化合物，并鑒定出其中18個化合物，占總化合物的86.75%.本研究提取的黃姜花揮發油中大多數成分屬于倍半萜化合物，其中含量最大的是β-石竹烯(37.74%)和橙花叔醇(13.37%)，這為以β-石竹烯為指標成分評價不同品種姜花揮發油作為食品、醫藥、化妝品行業重要原料提供了參考依據.

黃姜花；揮發油；氣相色譜—質譜；倍半萜；β-石竹烯

0 引 言

黃姜花為姜族姜科姜花屬植物，主產于我國西南各省，具有多種藥理藥效活性[1-3].研究表明，姜花屬植物揮發油成分中含有較多的萜類、酯類和酮酚類化合物,比如順式—羅勒烯酮、沉香醇、金合歡烯、1,8-桉油醇、α-蒎烯、β-蒎烯、芳樟醇、1,8-桉油素、石竹烯等[4-5].對于黃姜花揮發油提取，科研人員進行了大量的研究，并取得了較好的效果[6-11].在此基礎上，本研究利用響應面法優化黃姜花揮發油提取工藝，采用氣—質聯用技術對其化學成分進行分析,以期找出黃姜花的特征香氣成分，擬為黃姜花揮發油在食品藥品行業的進一步開發利用提供科學依據.

1 材料、儀器與方法

1.1 材 料

實驗所用的新鮮黃姜花采于四川省成都市郫縣犀浦鎮，乙醇(95%)購自成都市科龍化工試劑廠.

1.2 儀 器

實驗所用儀器包括：HP HEWLETT GC-MS氣相色譜/質譜聯用儀(美國安捷倫公司)，PTHW型電熱套(上海越眾儀器設備有限公司)，水蒸氣蒸餾揮發油提取器符合《藥典》(2010版)的要求.

1.3 方 法

1.3.1 揮發油的提取.

取新鮮黃姜花粉碎并混合均勻置圓底燒瓶，加水適量與玻璃珠數粒，振搖混合后連接揮發油測定器與回流冷凝管，置電熱套加熱至沸并保持微沸4 h，參考《藥典》(2010版)中揮發油測定法進行操作，計算供試品中揮發油的含量(%).

1.3.2 單因素實驗.

取新鮮黃姜花于三角瓶中，加入95%的乙醇50 mL，常溫(20 ℃)下.以浸提時間2 h、4 h、6 h，超聲時間30 min、40 min、50 min、60 min)，料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20為單因素，考察各因素對黃姜花揮發油得率的影響.

1.3.3 提取工藝響應面優化.

在單因素實驗的基礎上，選取浸提時間A、超聲時間B、料液比C為自變量，以揮發油得率為響應值，通過響應面分析(response surface analysis,RSA)進行提取工藝條件的優化.

1.3.4 數據分析.

運用Design-Expert 8.05b軟件對實驗數據進行分析.

1.4 色譜條件

HP HEWLETT GC-MS氣質聯用儀的工作條件為：色譜柱為HP-INNOWAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細管柱，載氣為高純He氣，流速為0.8 mL/min，分流進樣比為40∶1，進樣口溫度為220 ℃；柱溫的初始溫度為40 ℃，以10 ℃/min的速率升溫至140 ℃后以5 ℃/min的速率升溫至220 ℃，保持至完成分析；GC-MS接口溫度220 ℃，EI源70 eV，質量掃描范圍20-450 amu.

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 浸提時間對揮發油提取得率的影響.

浸提時間對黃姜花揮發油得率的影響如圖1所示.

圖1浸提時間對揮發油得率的影響

圖1顯示，浸提時間越長，黃姜花揮發油得率越高，考慮提取時間越長，黃姜花揮發油有可能發生降解、縮合、氧化等化學反應，從而使得率下降，故實驗選取浸提時間為6 h.

2.1.2 超聲時間對揮發油提取得率的影響.

超聲時間對黃姜花揮發油得率的影響如圖2所示.

圖2超聲時間對揮發油得率的影響

圖2顯示，超聲時間越長，黃姜花揮發油得率越高，基于“2.1.1”項下的原因，本實驗選擇超聲時間為60 min.

2.1.3 料液比對揮發油得率的影響.

料液比對黃姜花揮發油得率的影響如圖3所示.

圖3料液比對揮發油得率的影響

圖2顯示，當浸提時間為6 h時，料液比的影響隨著溶劑量增大，黃姜花揮發油得率先增大后減小，料液比為1∶10時，黃姜花揮發油得率最高，原因可能是溶劑增大，黃姜花揮發油與溶劑接觸界面處的濃度差增大，有利于黃姜花揮發油擴散和溶解.

2.2 回歸模型的建立及方差分析

根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理，綜合單因素影響實驗結果，選取浸提時間、超聲時間、料液比對黃姜花揮發油提取影響顯著的3個因素，在單因素試驗的基礎上采用三因素三水平的響應面分析方法進行實驗設計，結果如表1.

表1 黃姜花揮發油提取工藝響應面實驗設計及結果

采用Design Expert 8.0軟件處理數據，將響應值與各個因素進行擬合，得回歸模型，

Y=-1.26875+0.89025A+0.021967B+

0.4151C-0.000591667AB+0.000075AC+

0.00000333BC+0.00048125A2+

0.000015222B2-0.02183C2

回歸方程中各變量對響應值影響的顯著性，由F檢驗來判定，概率p(F>Fa)的值越小，則相應變量的顯著程度越高.回歸方程的方差分析見表2.

表2 回歸方程方差分析

由表2可知：該回歸模型方程的P=0.0001，R2=0.9734>0.9，說明模型影響顯著，對數據能很好的擬合，實驗方法可靠，模型失擬不顯著，說明模型可以用于實際值的預測[13].方程一次項中，浸提時間P<0.0001，達到極其顯著水平，超聲時間和料液比影響顯著；方程二次項中C2影響顯著，其余項影響不顯著.根據系數估計值及各因素P值可知，選定的因素對于黃姜花揮發油得率的影響大小依次為：浸提時間>超聲時間>料液比.剔出影響不顯著的交互相及二次項，可得優化回歸模型，

Y=4.6+1.34A+0.18B-0.0085C-

0.18AB-0.55C2

2.3 響應面分析與工藝優化

2.3.1 響應面分析.

根據回歸模型繪制出AB、AC及BC交互影響的響應面及等高線如圖4所示.

由圖4可知，交互項中，AB項(冷浸提和超聲時間)影響最為顯著，AC(冷浸時間和超聲時間)次之，其與A項交互作用相差不大，BC項(超聲時間和料液比)影響最不顯著.

2.3.2 提取工藝優化.

本研究以黃姜花揮發油得率為指標，采用響應面設計，對浸提時間、超聲時間和料液比進行了優化，并通過對回歸方程進行分析，得到優化結果，即黃姜花揮發油提取的最佳工藝條件為：浸提時間6 h，超聲60 min，料液比為1∶9.67，預測揮發油得率為6.02(mg/g).平行實驗3次得揮發油平均得率為5.91(mg/g)，RSD為1.83%.說明該模型與實際情況擬合較好，模型可靠.

2.4 揮發油成分分析

在實驗中，對提取出的黃姜花揮發油進行GC-MS分析，其總離子流色譜圖見圖5.通過檢索WILEY質譜圖庫，結合有關文獻人工圖譜解析鑒定其結構[14]，按照峰面積歸一法計算各成分在揮發油中的相對百分含量，結果見表3.

圖4 AB,AC,BC對揮發油得率交互影響的響應面及等高線

圖5 黃姜花揮發油成分的總離子流色譜圖

由圖5、表3可以看出，本實驗共檢測出黃姜花中的28種化合物，并鑒定出其中18種化合物，占檢測成分總量的86.75%，其中相對含量最高的3種成分分別為β-石竹烯、橙花叔醇與金合歡烯，分別占黃姜花揮發油總量的37.74%、13.37%、5.56%.

表3 黃姜花的揮發性化學成分

3 討 論

本研究以黃姜花揮發油得率為指標，采用單因素實驗設計，并在此基礎上通過三因素三水平響應面分析，建立了響應值與各因素之間的數學模型，依此模型可以預測黃姜花揮發油的理論提取率，根據此模型，確定了黃姜花精油的提取最佳工藝參數.利用響應面設計，對浸提時間、超聲時間和料液比進行優化，同時，通過氣—質聯用技術對揮發油提取物進行成分分析.實驗表明：料液比為1∶9.67，浸提6 h，超聲60 min的提取效果最優，黃姜花揮發油得率高達5.91(mg/g)，通過GC-MS圖譜檢測出28種化合物，鑒定出其中18種化合物，占檢測成分總量的86.75%，其中相對含量最高的3種成分分別為β-石竹烯、橙花叔醇與金合歡烯，分別占揮發油總量的37.74%、13.37%、5.56%.通過對比其他文獻發現，黃姜花揮發油的β-石竹烯含量為最高，而其他植物分離提取得的揮發油中β-石竹烯含量均不超過30%[15-18].

4 結 論

本研究建立的模型能很好地預測各因素同提取率之間的關系.實驗提取所得黃姜花揮發油呈淡黃色液體狀，具有獨特、濃郁的芳香味，這和黃姜花揮發油富含β-石竹烯有關.相關研究發現，β-石竹烯是一種雙環倍半萜類化合物，其天然品存在于丁香油、丁香莖油、錫蘭桂皮油、肉桂葉油、胡椒油及甘椒油等精油中，常用于調配丁香、胡椒、肉豆蔻、柑橘、藥草等食用香精，同時，β-石竹烯也可作為食品中的功能性成分[19].本研究表明，黃姜花是一種潛在的植物資源，完全可用于β-石竹烯的高產量提取.

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StudyonChemicalConstituentsofEssentialOilofHeychiumFlavumRoxbwithAssistanceofResponseSurfaceUltrasound

LIXiang,ZHONGFangyou,MENGFanbing,XUHong,DENGJie,RENJingjing

(Food-processing Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

To study the extraction and separation process and also the analysis method of the essential oil components of Heychium Flavum Roxb,the paper is going to provide a scientific basis for the further development and utilization of it in food and drug industries. The extraction technique of the essential oil of Hedychium Flavum Roxb by steam distillation is optimized by using response surface methodology and GC/MS technique is sued for analysis of its components. The optimized parameters of extraction process are:soaking time is 6 h,ultrasonic time is 60 min,and the ratio of solid to liquid is 1∶9.67.Under this condition,the predicted value of volatile oil yield is 6.02% and the actual value of volatile oil yield is 5.91%,so the RSD is 1.83%.18 chemical compounds are isolated and identified by GC-MS among 28 compounds through the separation of the essential oil components of Heychium Flavum Roxb by GC-MS,which account for 86.75% of the total compounds.Most components of the essential oil are sesquiterpenoids,and the largest amount substance contained in them are β-caryophyllene(37.74%),and Nerolidol(13.37%).This provides a reference basis for the evaluation of different varieties of ginger essential oil as important raw materials in food,pharmaceutical and cosmetics industries by using β-caryophyllene as an index component.

Hedychium Flavum Roxb;essential oil;GC-MS;sesquiterpenoid;β-caryophyllene

TQ651+.2；O657.63

A

1004-5422(2017)04-0346-05

2017-09-07.

四川省教育廳創新團隊(2016TD0036)、 成都市農業技術成果應用示范(2015-NY01-00013-NC)資助項目.

李 翔(1974 — )，女，博士，教授，從事食品加工與安全關鍵技術研究.